原位应变调控钙钛矿铁电薄膜居里温度及性能研究

In most applications represented by the automotive and aerospace industries, the ferroelectric materials are required to work over a broad temperature range. Design and fabrication of high performance ferroelectric materials with high Curie temperature is a hot research topic at present. The perovskite solid solutions such as (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 and lead-free (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3 with the composition around the morphotropic phase boundary has attracted much attention recently due to the outstanding electrical performances. However, their relatively lower Curie or depoling temperature greatly restricts their applications in sensors, actuators, and ultrasonic transducers. The present study aims to substantially improve this through introducing a self-assembled nanocomposite structure to create vertical in situ strain. The emphasis will be focused on the relations between the phase structure, domain state, Curie temperature, ferroelectric phase transition temperature, electrical properties and the component, elastic constant, substrate, film thickness etc.so as to reveal the growth and control mechanisms and improve the temperature usage range.

以航天航空、能源、石油化工、汽车为代表的众多领域，要求铁电材料能够在较宽温度范围内工作，开发兼有高居里温度、高电性能的铁电体系已成为当前国际上研究热点之一。针对准同型相界附近具有优良压电响应的一类钙(MPB)钛矿固溶体居里温度、相变温度较低的问题（如铅基体系的(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3和无铅的(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3），本项目通过制备自组装纳米复合材料的方法，利用晶格常数及弹性模量不同而产生的垂直原位应变，实现在三维方向调控这类铁电薄膜材料，重点研究MPB组分钙钛矿铁电薄膜的相结构与微观形貌、电畴结构、居里温度、铁电相变温度及相关电性能受复合组元的晶格常数、弹性系数、含量、衬底取向、薄膜厚度等参数的影响规律，并探索相关的生长与调控机理，从而提高这类钙钛矿铁电薄膜的温度使用范围。

本项目针对当前准同型相界附近铁电薄膜的居里温度及相变温度不够高的问题，提出通过制备铁电/氧化物复合薄膜，利用不同相结构间的晶格失配产生的原位应变来调控薄膜的晶胞状态，从而提升其居里温度及相变温度。本项目开展过程中，通过综合考虑氧化物的导电性、晶胞参数及弹性性质筛选确立了MgO作为氧化物复合组元，利用传统的固相反应法制备了具有纯的相结构及高致密度的PMNT-MgO复合靶材。在此基础上，利用脉冲激光沉积法在<001>、<110>、<111>取向的SrTiO3单晶衬底上制备SrRuO3底电极外延薄膜，并进一步基于SrRuO3/SrTiO3制备了铁电复合薄膜，系统地研究了制备工艺参数对复合薄膜的相结构、微观结构及电学性能的影响。结果表明，复合薄膜中铁电相与MgO两相分离，没有新相产生，与SrTiO3衬底具有相同的外延取向，产生不同程度的应变失配，与单相体系相比，复合薄膜在保持良好铁电性能的同时，温度稳定性有明显的提高。另外，在原位应变诱导提高居里温度的启发下，进一步发展了其它具有较大应变响应的体系，并初步探索了原位应变与其它功能效应（如光流明）间的学科交叉，发现利用电场诱导应变也可实现对光流明效应的调控与增强，具有一定的创新性。